發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧與鎖夾座自動(dòng)裝配的研究及應(yīng)用初探

吳連偉，張德君，李文博，代志勇，喬華強(qiáng)

（濰柴動(dòng)力股份有限公司一號(hào)工廠，山東 濰坊 261061）

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門彈簧及鎖夾座的裝配大多依靠人工安裝，人工裝配極易受到主觀因素的影響，特別是一些外形、顏色相差不大的零件，在裝配時(shí)很容易出現(xiàn)錯(cuò)裝、漏裝等質(zhì)量隱患。H系列發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)使用進(jìn)、排氣兩種彈簧，長(zhǎng)度相差4.4mm（如圖1所示）?，F(xiàn)場(chǎng)采用人工裝配方式，先裝配12根進(jìn)氣彈簧，再裝配12根排氣彈簧，最后裝配24個(gè)彈簧鎖夾座，重復(fù)作業(yè)48次，存在問(wèn)題如下：（1）作業(yè)節(jié)拍長(zhǎng)：進(jìn)、排氣彈簧及鎖夾座裝配需要2人協(xié)同作業(yè)，超出生產(chǎn)線節(jié)拍13%；（2）質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高：存在因進(jìn)、排氣裝反導(dǎo)致的漏氣量超標(biāo)質(zhì)量隱患，故障隱患率0.02%。

圖1 零件尺寸

針對(duì)以上問(wèn)題，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配單元，降低裝配誤差和人工成本，提高裝配效率，消滅裝配瓶頸，提升產(chǎn)線過(guò)程保障能力。

2 氣門彈簧及鎖夾座作用

氣門彈簧位于氣缸蓋與氣門桿尾端彈簧座之間。氣門彈簧的功用是保證氣門關(guān)閉時(shí)能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開(kāi)啟時(shí)配氣機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動(dòng)件始終受凸輪控制而不相互脫離。作為內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件，其廣泛應(yīng)用于汽車及內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)，其作用是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣。氣門彈簧在工作中承受高頻交變載荷，往往造成疲勞損壞,而氣門彈簧斷裂會(huì)造成內(nèi)燃機(jī)的重大事故。

氣門彈簧鎖夾座通過(guò)氣門鎖夾與氣門固定在一起，當(dāng)進(jìn)（排）氣門需要打開(kāi)時(shí)，凸輪軸通過(guò)挺柱、推桿將動(dòng)力傳輸?shù)綋u臂，搖臂通過(guò)進(jìn)（排）氣門橋?qū)毫κ┘釉谶M(jìn)（排）氣門上座上，使進(jìn)（排）氣門打開(kāi)；當(dāng)進(jìn)（排）氣門需要關(guān)閉時(shí)，推桿下移，進(jìn)（排）氣門在進(jìn)（排）氣門彈簧的作用下關(guān)閉。

本論文主要闡述自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套氣門彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配單元，并對(duì)其技術(shù)原理及性能指標(biāo)進(jìn)行論述，詳細(xì)說(shuō)明裝配單元的創(chuàng)新性和技術(shù)特點(diǎn)。

3 技術(shù)原理、性能指標(biāo)

本單元主要是對(duì)WP9H/WP10H/WP10.5H機(jī)型全系列缸蓋實(shí)現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配，裝配要求是利用6只氣動(dòng)夾爪分2次從自動(dòng)排序機(jī)構(gòu)抓取6根彈簧及鎖夾座，然后移動(dòng)到缸蓋彈簧及鎖夾座組件安裝孔位置，準(zhǔn)確無(wú)誤地將彈簧及鎖夾座組合件放在安裝孔氣門桿上，重復(fù)4個(gè)循環(huán)，最終完成24個(gè)氣門彈簧及鎖夾座組件的自動(dòng)裝配（如圖2、圖3所示）。為滿足最終彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配的精度及速度要求，該單元具備以下功能。

圖2 彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配效果

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)彈簧及鎖夾座自動(dòng)裝配圖

（1）頂升機(jī)構(gòu)：當(dāng)工件被擋停后，頂升機(jī)構(gòu)可以頂起缸蓋，使缸蓋與輸送線體脫離，并通過(guò)缸蓋主副定位銷完成精確定位。

（2）自動(dòng)上料：為使本單元全自動(dòng)和快速上料功能，配置彈簧及鎖夾座全自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，并根據(jù)機(jī)械手抓取需求，完成進(jìn)、排氣彈簧及鎖夾座部件裝配，并輸送至待抓取料位。

（3）自動(dòng)裝配：通過(guò)三軸自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)，可以使彈簧及鎖夾座快速準(zhǔn)確安裝到缸蓋安裝孔中。

（4）自動(dòng)檢測(cè)：當(dāng)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)提供不合格工件時(shí)，具備自動(dòng)檢測(cè)不合格彈簧和鎖夾座功能。

綜合以上所需功能及裝配要求，需要在具有積放功能輸送輥道上實(shí)現(xiàn)缸蓋柔性輸送、擋停、舉升定位，等待彈簧及鎖夾座組合件裝入。與此同時(shí)，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)源源不斷為夾爪提供彈簧及鎖夾座組合件，氣動(dòng)夾爪在抓取組合件后在伺服電機(jī)控制的橫移、升降裝置帶動(dòng)下準(zhǔn)確無(wú)誤地把彈簧及鎖夾座組合件放置到缸蓋安裝孔中，最后頂升機(jī)構(gòu)下降，把裝配完成的缸蓋放置到輥道上，停止器放行到下一工序。

4 技術(shù)創(chuàng)新性與先進(jìn)性

（1）設(shè)計(jì)柔性輸送機(jī)構(gòu)、頂升定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)缸蓋精確定位。缸蓋輸送機(jī)構(gòu)借用原輥道，改進(jìn)摩擦輪結(jié)構(gòu)，增加阻擋氣缸，設(shè)計(jì)缸蓋頂升定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)缸蓋柔性輸送、擋停、舉升定位，等待彈簧及鎖夾座組合件裝入。

整體工作流程（如圖4所示）：當(dāng)輸送線上的缸蓋被擋停后，頂升氣缸得到信號(hào)，1-抬起氣缸豎直頂起帶動(dòng)4-抬起導(dǎo)桿完成升降，同時(shí)8-缸蓋定位銷插入到缸蓋主副定位銷內(nèi)，完成XY軸方向定位，4-抬起檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)抬起氣缸是否到位，到位后2-橫移氣缸移動(dòng)，通過(guò)伸縮帶動(dòng)3-橫移定位機(jī)構(gòu)完成精確定位，保證缸蓋Z軸高度完全一致，另設(shè)置6套可調(diào)氣門頂緊機(jī)構(gòu)，保證工作過(guò)程中氣門不出現(xiàn)脫落，裝配完成后，重復(fù)以上動(dòng)作頂升機(jī)構(gòu)回到原位。

圖4 升定位機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（2）適應(yīng)產(chǎn)品特征的排序機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)排序組裝。彈簧及鎖夾座自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)（如圖5所示），包括主體框架、皮帶式上料機(jī)構(gòu)、圓震送料機(jī)構(gòu)、彈簧直線機(jī)構(gòu)、彈簧放料機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感器等，該部分主要是為桁架機(jī)械手源源不斷提供彈簧及鎖夾座組合件。伺服滑臺(tái)由FESTO電缸驅(qū)動(dòng)，每次接6個(gè)彈簧和6個(gè)上座，并送至伺服抓手取料位置；料斗容量保證0.5h供給,料斗具備缺料報(bào)警功能。

圖5 彈簧及鎖夾座自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)圖

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)整體動(dòng)作流程如下：

①人工往料倉(cāng)內(nèi)加入彈簧及鎖夾（如圖6所示），1-進(jìn)氣彈簧皮帶式料倉(cāng)把工件推送彈簧及鎖夾座圓振料機(jī)構(gòu)上，當(dāng)裝在料倉(cāng)上的缺料檢測(cè)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)到1-進(jìn)氣彈簧皮帶式料倉(cāng)內(nèi)部缺料時(shí)，發(fā)出信號(hào)，提示操作者及時(shí)補(bǔ)料，1-進(jìn)氣彈簧皮帶式料倉(cāng)通過(guò)氣缸反復(fù)動(dòng)作將彈簧及鎖夾座推送至圓振機(jī)構(gòu)。

圖6 彈簧及鎖夾座自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)三維圖

②2-進(jìn)氣彈簧圓振送料機(jī)構(gòu)通過(guò)識(shí)別區(qū)域?qū)椈苫蜴i夾座進(jìn)行調(diào)姿排序，1列送出，豎直狀態(tài)為合格物料，可正常通過(guò)，裝在圓振上的料缺開(kāi)關(guān)檢測(cè)到軌道上缺料，則通知皮帶式料倉(cāng)或料斗送料，2-進(jìn)氣彈簧圓振通過(guò)振動(dòng)動(dòng)作將彈簧及鎖夾座推送至直線送料機(jī)構(gòu)。

③7-彈簧直振送料機(jī)構(gòu)把從圓振送過(guò)來(lái)的進(jìn)氣、排氣彈簧依次從料道送出，2列出料，1列進(jìn)氣彈簧，1列排氣彈簧，裝在7-彈簧直振送料機(jī)構(gòu)上的料滿檢測(cè)開(kāi)關(guān)滿料時(shí)，則通知振動(dòng)盤(pán)停止送料，7-彈簧直振送料機(jī)構(gòu)把工件推送到彈簧放料機(jī)構(gòu)上。

④8-鎖夾座直振送料機(jī)構(gòu)把從圓振送過(guò)來(lái)的料依次從料道送出，經(jīng)分料后2列出料，料滿檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)料滿時(shí)，振動(dòng)盤(pán)停止供料，鎖夾座直線送料機(jī)構(gòu)把工件送到8-鎖夾座直振送料機(jī)構(gòu)上。

⑤彈簧到達(dá)10-彈簧放料機(jī)構(gòu)后，頂料氣缸下頂料默認(rèn)伸出，上頂料默認(rèn)伸出狀態(tài)，氣缸到位檢測(cè)到下頂料伸出，氣缸上頂料縮回，彈簧到位檢測(cè)到到料時(shí)，缺料檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到料時(shí)，上頂料伸出，當(dāng)伺服電缸到位后，氣缸下頂料縮回，缺料檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)缺料時(shí)，氣缸下頂料伸出，重復(fù)以上動(dòng)作，彈簧逐個(gè)送至伺服分料機(jī)構(gòu)，一共3組，當(dāng)3組放滿，皮帶式料倉(cāng)、彈簧圓振機(jī)構(gòu)、彈簧直振機(jī)構(gòu)和放料機(jī)構(gòu)均停止工作，等缺料時(shí)再工作（如圖7所示）。

圖7 彈簧放料機(jī)構(gòu)

⑥鎖夾座到達(dá)放料機(jī)構(gòu)后，擋料氣缸和氣爪默認(rèn)縮回，氣缸到位檢測(cè)到擋料氣缸到位后，氣爪伸出，當(dāng)料氣缸到位檢測(cè)到氣缸縮回時(shí)，氣爪縮回，重復(fù)以上動(dòng)作，鎖夾座逐個(gè)送至伺服分料機(jī)構(gòu)，一共3組，當(dāng)3組放滿，料倉(cāng)、鎖夾座圓振機(jī)構(gòu)、鎖夾座直振機(jī)構(gòu)和放料機(jī)構(gòu)均停止工作，等缺料時(shí)再工作（如圖8所示）。

圖8 鎖夾座放料機(jī)構(gòu)

⑦9-伺服接料機(jī)構(gòu)伺服電缸默認(rèn)原始位置，彈簧到位檢測(cè)缺料，電缸相應(yīng)移動(dòng)位置伺服，分料機(jī)構(gòu)將彈簧及鎖夾座組合件移送至機(jī)構(gòu)末端機(jī)械手抓取位置（如圖9所示）。

圖9 伺服接料機(jī)構(gòu)

（3）設(shè)計(jì)三軸自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配。桁架抓取機(jī)構(gòu)（如圖10所示），包括桁架導(dǎo)軌、X/Y/Z三軸伺服模組、抓手組件等組成，為保證節(jié)拍要求，模組運(yùn)功的設(shè)計(jì)利用精度較高的齒形同步帶、導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣動(dòng)夾爪在抓取組合件后在伺服電機(jī)控制的橫移、升降裝置準(zhǔn)確無(wú)誤地把彈簧及鎖夾座組合件放置到缸蓋安裝孔中，最后頂升機(jī)構(gòu)下降，把裝配完成的缸蓋放置到輥道上，停止器放行到下一工序。

圖10 桁架機(jī)構(gòu)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)三維圖

自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)工作原理：1-伺服電機(jī)通過(guò)2-減速機(jī)帶動(dòng)4-齒形帶旋轉(zhuǎn)，與滑塊連接的模組隨之移動(dòng)，X/Y/Z伺服模組到指定位置后，對(duì)應(yīng)的傳感器發(fā)出信號(hào)，8-排氣氣爪開(kāi)始抓取彈簧及鎖夾座組合件，升降13-Z軸伺服模組帶動(dòng)8-排氣氣爪上升至原位位置，11-X/12-Y軸模組依次移動(dòng)到達(dá)進(jìn)氣取料位置后，對(duì)應(yīng)的傳感器發(fā)出信號(hào)，升降13-Z軸伺服模組帶動(dòng)7-近氣氣爪到達(dá)取料位置，7進(jìn)氣氣爪開(kāi)始抓取彈簧及鎖夾座組合件后，升降13-Z軸伺服模組帶動(dòng)7進(jìn)氣氣爪上升至原位位置，11-X/12-Y軸模組依次移動(dòng)到放料位置后，升降13-Z軸伺服模組帶動(dòng)7進(jìn)氣氣爪/8-排氣氣爪下降至放料位置，7進(jìn)氣氣爪/8-排氣氣爪松開(kāi)，將彈簧組件放置到缸蓋上位置1，往返前面取料動(dòng)作流程4次后，完成裝配（如圖11所示）。

圖11 桁架抓取機(jī)構(gòu)圖

5 設(shè)計(jì)全自動(dòng)裝配單元控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)裝配裝置控制面板造型美觀，功能齊全，上方彩色觸摸屏采用西門子TO170A觸摸屏，組態(tài)軟件ProtooI6.0。該系統(tǒng)有多個(gè)操作界面，界面之間的互換可以通過(guò)上方按鈕切換，下方配置多個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)及一個(gè)總電源開(kāi)關(guān)，以便一些緊急控制及手動(dòng)控制。觸摸屏上可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的手動(dòng)控制，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括報(bào)警信息、診斷信息和主要信號(hào)的通斷。

在觸摸屏下方所設(shè)計(jì)的按鈕開(kāi)關(guān)的各個(gè)功能及介紹如下（如圖12所示）。

圖12 HMI按鈕

（1）控制電源：鑰匙開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至右側(cè)，PLZ安全繼電器控制電源接通，為上電做好準(zhǔn)備。

（2）電源指示：控制電源接通指示燈常亮。

（3）運(yùn)行準(zhǔn)備：安全門，急停按鈕未被按下則按下進(jìn)入上電狀態(tài)，指示燈常，若有故障會(huì)在屏幕上顯示檢查排除確認(rèn)。

（4）手動(dòng)/自動(dòng)：用于切換設(shè)備工作運(yùn)行模式。

（5）循環(huán)啟動(dòng)：自動(dòng)模式且無(wú)故障狀態(tài)下按下循環(huán)啟動(dòng)按鈕，循環(huán)啟動(dòng)指示燈常亮，自動(dòng)進(jìn)行回原點(diǎn)，回原點(diǎn)完成，原點(diǎn)指示燈點(diǎn)亮，等待雙手啟動(dòng)，按照程序的設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行。

（6）回原點(diǎn)：用于手動(dòng)模式下設(shè)備返回原點(diǎn)，包括伺服控制系統(tǒng)的原點(diǎn)和氣動(dòng)元件的原點(diǎn)，回原點(diǎn)完成且原點(diǎn)指示燈常亮。

（7）故障復(fù)位(帶燈)：用于復(fù)位設(shè)備的故障，有故障時(shí)紅色故障指示燈常亮。

（8）急停：用于系統(tǒng)緊急停車。

（9）循環(huán)停止：工位在自動(dòng)循環(huán)狀態(tài)時(shí)，按下循環(huán)停止按鈕，工位停止運(yùn)行。

（10）緊急停止：工位在自動(dòng)循環(huán)狀態(tài)時(shí)，按下立即停止按鈕，工位立刻停止，等待重新運(yùn)行準(zhǔn)備，循環(huán)啟動(dòng)按下。

（11）燈測(cè)試/消音：①按下按鈕塔燈點(diǎn)亮，蜂鳴器鳴叫，②在故障未消除的狀態(tài)下可消除蜂鳴器鳴叫，故障消失時(shí)復(fù)位按鈕確認(rèn)后鳴叫自動(dòng)消失。

單元控制面板上的控制方式有手動(dòng)和自動(dòng)。設(shè)備自動(dòng)、手動(dòng)或維修動(dòng)作時(shí)，均需上電后才能執(zhí)行。如果需要手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要手動(dòng)工作模式時(shí)，在觸摸屏“手動(dòng)界面”下根據(jù)HMI上提示動(dòng)作進(jìn)行操作。操作流程依次是：工作模式在手動(dòng)或自動(dòng)，按下回原點(diǎn)按鈕，自動(dòng)回原點(diǎn)，如無(wú)故障狀態(tài)下，回原點(diǎn)很快完成，原點(diǎn)指示燈亮。

6 結(jié)語(yǔ)

自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)裝配單元，包含控制系統(tǒng)、缸蓋頂升定位機(jī)構(gòu)、缸蓋彈簧及鎖夾座自動(dòng)上料、自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)、自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。利用FESTO電動(dòng)伺服滑臺(tái)搭建三軸伺服桁架機(jī)構(gòu)，機(jī)械手一次同時(shí)安裝六缸單個(gè)氣門的彈簧、鎖夾座，通過(guò)伺服變距功能，進(jìn)、排氣彈簧及上座自動(dòng)排序后輸送至取料位（組合件）。其中柔性輸送機(jī)構(gòu)和頂升定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)缸蓋精確定位。適應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征的自動(dòng)排序機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)排序組裝。三軸自動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)彈簧及鎖夾座全自動(dòng)裝配，并具備檢測(cè)功能，防止進(jìn)排氣彈簧出現(xiàn)混裝。

全自動(dòng)裝配單元的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，提升工序作業(yè)時(shí)間11S，裝試綜合返工率降為0PPM。同時(shí)，全自動(dòng)裝配單元中用到的柔性輸送、自動(dòng)抓取、自動(dòng)排序、智能檢測(cè)等技術(shù)可應(yīng)用于生產(chǎn)線智能化、數(shù)字化改造工程。